Критерии выбора хладагента

термодинамические - большая объемная холодопроизводительность; низкая температура кипения при атмосферном давлении; невысокое давление конденсации; хорошая теплопроводность; малые плотность и вязкость хладагента, обеспечивающие сокращение гидравлических потерь на трение и местные сопротивления при его транспортировке; максимальная приближенность к заменяемым хладагентам (для альтернативных озонобезопасных хладагентов) по давлениям, температурам, удельной объемной холодопроизводительности и холодильному коэффициенту;

Предельные значения темпера­тур существования жидкой фазы. Верхним пределом существования жидкой фазы служит критическая температураt_кр. Если температура вещества выше критической, то уже никаким давлением не удается сжать пары, чтобы они начали конденсироваться. Значению t_кр соответствует критическое давление р_кр,. Нижним пределом работы паровой холодильной машины теорети­чески является температура замерзания. Для каждого вещества со­ставлены диаграммы фазовых состояний (рис. 9). Любой точке на диаграмме соответствуют определенные давление р и температура t. Если твердое тело при давлении p₁ нагревать, то температура его повышается, и в точке 1′ начнется плавление. Пока подводится теп­лота, равная скрытой теплоте плавления, температура t₁ не изме­няется. При дальнейшем подводе теплоты линия, характеризующая процесс, пересекает кривую плавления А, и тело переходит в жидкую фазу. Подводя теплоту далее, повысим температуру жидкости до t_1’’ (точка 1″), при этом начнется процесс кипения — превращение жид­кости в насыщенный пар. Кривая кипения Б показывает зависимость давления насыщенного пара от температуры кипения жидкости, Когда вся жидкость превратится в насыщенный пар, подвод теплоты приведет к повышению температуры пара. При t > t_1”- (при давле­нии р₁) пар становится перегретым начнется конденсация пара, а при t₁ будет наблюдаться за­твердевание.

Кривая плавления А идет почти вертикально, т. е. при измене­нии давления температура замерзания ?_зам почти не изменяется. Температура же кипения с понижением давления падает (кривая Б). При давлении р₂разность между температурами кипения t_2” и за­мерзания t₂ меньше, чем при давлении р₁ и в тройной точке ТР температуры кипения и замерзания совпадают. В этой точке (при давлении р_тр и температуре t_тр) вещество находится сразу в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной. При давлении ниже р_тр (например, р₃) вещество из твердого переходит сразу в газообразное (точка 3). Этот процесс называют сублимацией. Кривая В показывает, что с понижением давления температура сублимации понижается. Из этого же графика видно, что при температуре выше критической возможно существование только газообразной фазы.

Диапазоны рабочих давлений в области заданных температур кипения и конденсации. Температура кипения t₀ должна быть на 5—10 °С ниже температуры охлаждаемого объекта. Температура конденсации t_K на 5—10 °С выше температуры окружающей среды. Для среднетемпературного режима принимают t_Q = —15 °С, t_н = = +30 °С. Желательно подобрать хладагент так, чтобы давления, соответствующие этим температурам (см. табл. 4 и приложение 1), имели значения: р₀ = (1/2) 10⁵ Па и р_к не более (10/12) 10⁵ Па (хладагенты средних давлений). При более низких давлениях в ис­парителе (хладагенты низкого давления) требуется большая теорети­ческая производительность компрессоров. Поршневые компрессоры при этом получаются слишком громоздкими, а турбокомпрессоры эффективны только при большой производительности. Кроме того, работа (при р₀ <0,1 МПа) требует дополнительных устройств из-за возможного подсоса воздуха в систему. Более высокие давления в испарителе (хладагенты высоких давлений) для этого режима также не выгодны, так как давление в конденсаторе становится слишком большим, что связано с необходимостью применения громоздких толстостенных аппаратов, более прочного компрессора и большей

затраты мощности.

Кроме абсолютных значений р_к и р₀ важно и отношение этих давлений (степень сжатия). У хладагентов с большим отношением р_к/р₀ потери производительности и мощности в компрессоре выше; возрастает температура в конце сжатия, что затрудняет смазку ком­прессора.

Рабочий диапазон температур. Нормальная температура кипения. Оптимальным значениям давлений р₀ — (1 ч-2) 10⁵ Па и р_к = = (8—12) 10⁵Па соответствует диапазон температур, в котором машина работает наиболее эффективно. Нижним пределом этого эффективного диапазона может служить нормальная температура кипения (при давлении 760 мм рт. ст.) t_0н.

Однако при необходимости расширить диапазон температур ки­пения можно работать и при давлениях ниже атмосферного — до 0,2•10^б Па (при более низких давлениях потери в клапанах стано­вятся большими). Давление конденсации можно повысить до 20•10⁵ Па (при использовании современных компрессоров).

В зависимости от оптимальной области температур кипения хладагенты разделяют условно на три группы:

низкого давления или высокотемпературные (t_0н выше —10 °С);

среднего давления (t_0н от —10 до —60 °С);

высокого давления — низкотемпературные (t_0н ниже —60 °С).

Хладагенты низкого давления применяют в тепловых насосах и установках кондиционирования воздуха (t₀ выше —10 °С);

хладагенты среднего давления — в среднетемпературных уста­новках (t₀ от —10 до —30 °С). Хладагенты высокого давления — в низкотемпературных установках: одноступенчатых (t₀ от —30 до —55 °С), двухступенчатых (t₀ до —70 °С) и каскадных (t₀ до —110 °С).

Удельная и объемная холодопроизводительность. Удельной холодопроизводительностъю хладагента q₀ называют отношение коли­чества отведенной от объекта теплоты Q к массе хладагента m, вы­ходящего из испарителя: q₀ — Q/m.

Зная q₀, можно определить массовый расход хладагента М, необходимый для того, чтобы обеспечить холодопроизводительность машины Q₀:

М = Q₀/q₀.

Если Q₀ выразить в кВт, a q₀ — в кДж/кг, то М выразится в кг/с. Для определения требуемого объемного расхода хладагента V» что необходимо для подбора компрессора, надо знать объемную холодопроизводительность. Объемной холодопроизводительностью q₀называют отношение удельной холодопроизводительности кудель­ному объему пара, выходящего из испарителя v.

q_v= q₀/v

Величина q_v показывает, какое количество теплоты отведено от охлаждаемого объекта машиной, в которой проциркулировал 1 м³хладагента. Необходимый объемный расход хладагента V = = Q₀/q_v. ЕслиQ₀ измеряется в кВт, a q_v — в кДж/м³, то V имеет размерность м³/с. Чем больше q₀, тем меньше требуемая объемная производительность компрессора для получения той же холодопроизводительности.

Наиболее высокие значения q_v имеют хладагенты высоких дав­лений, так как они имеют меньший удельный объем. Однако, выби­рая эти хладагенты, необходимо проверить, чтобы давление в кон­денсаторе не превышало допустимых пределов.

Эффективность теоретического холодильного цикла.

Холодиль­ный коэффициент теоретического цикла

Е_T = q₀/ l_T

где l_т — удельная работа сжатия хладагента в теоретическом цикле (при отсутствии потерь).

Значение е_т для одного и того же цикла при использовании раз­личных хладагентов разное: чем меньше требуется затратить ра­боты для получения холода (выше е_т), тем удачнее выбран хладагент (см. § 2 гл. 4).

Теплофизические свойства. Совокупность теплофизических свойств оказывает влияние на ряд показателей, влияющих как на конструк­цию машины, так и на ее эксплуатацию. К таким показателям можно отнести:

Падение давления при движении по трубопроводам. У хладаген­тов с малой относительной молекулярной массой, небольшой плот­ностью жидкости и пара, малой вязкостью падение давления при движении по трубопроводам сравнительно ниже, что позволяет до­пускать большие значения скорости движения хладагента путем уменьшения диаметра трубопроводов.

Коэффициенты теплоотдачи. При низких коэффициентах тепло­отдачи приходится увеличивать поверхность теплопередачи, что делает теплообменные аппараты дорогими и громоздкими. С увели­чением теплопроводности, плотности, теплоемкости и с уменьшением вязкости хладагентов коэффициент теплоотдачи а, Вт/(м²-К), уве­личивается (при одинаковой скорости).

Взаимодействие с маслами. Компрессоры без смазки сложны и дороги. Поэтому взаимодействие хладагента с маслом практически неизбежно. Если хладагент плохо растворяет масло (как, например, аммиак), то неизбежный унос частиц масла из компрессора в кон­денсатор и далее в испаритель приводит к загрязнению поверхности теплообменных аппаратов и ухудшению теплопередачи. Необходима частая дозаправка масла в компрессор и выпуск его из испарителя. Предпочтительнее хладагенты, хорошо растворяющие масла. Сни­жение коэффициента теплопередачи испарителя у них не так заметно. Можно обеспечить возврат масла из испарителя в компрессор, что упрощает эксплуатацию.

Растворение воды. Желательно, чтобы холодильный агент частично растворял воду.

19) Циклы холодильных установок и теплонасосы

Схема холодильной машины и реальный цикл в T-S диаграмме.

Сухой насыщенный пар хладагента сжимается в компрессоре. Процесс сжатия соответствует линии 1-2 на диаграмме. В силу необратимости потерь, процесс отличается от идеального процесса показанного штриховой линией и сопровождается ростом энтропии. В конце процесса сжатия получается перегретый пар (точка 2 в T-S диаграмме). Перегретый пар поступает в конденсатор, в котором охлаждается до температуры насыщения, соответствующей давлению pК (точка 2’ в T-S диаграмме), и конденсируется. Процесс конденсации показан линией 2’-3. Процесс конденсации происходит при ТК, несколько превыщающей температуру окружающей среды ТОС на велечину ?ТК. Количество теплоты, отводимой в конденсаторе от хладагента равно QК.

Процесс дросселирования изображён в T-S диаграмме линией 3-4. В результате после дроссельного вентиля имеется влажный пар с параметрами T0 и p0 (точка 4 в T-S диаграмме). Далее поток хладагента раздваивается. Отделяемая в сепараторе жидкость поступает на вход в испаритель, а пар хладагнета – на вход в компрессора. В испарителе хладагент испаряясь отнимает количество теплоты Q0 от потребителя холода, а парообразный хладагент поступает на вход компрессора. Процесс испарения происходит, как и процесс конденсации, при конечном значении разности температур ?ТИ испарителя (ТИ) и хладагента (Т0). Парокомпрессионный цикл может быть применён и для целей нагрева воздуха в помещении. Для этого может быть использована теплота окружающей среды (теплота наружного воздуха, теплота воды в естественных водоёмах или теплота воды из артезианских скважин и т.д.). Температура располагаемых природных энергоресурсов может быть низкой и поэтому недостаточной для полезного использования в целях отопления. Температурный уровень можно искусственно повысить, применив термотрансформатор – тепловой насос, затратив при этом какую-либо энергию, например механическую или электрическую.

Принципиальная схема теплового насоса и схема иделаьного (1-2-3-4) и реального циклов в T-S диаграмме.

В идеальном цикле пары теплоносителя с параметрами в точке 1 поступают в компрессор, где сжимаются до давления pВ и нагреваются до соответствующей ему температуры ТВ. С этими параметрами пары теплоносителя поступают в конденсатор, в котором конденсируются, передавая теплоту потребителю (в системах кондиционирования – воздуху в помещении). После конденсатора теплоноситель поступает в детандер, в котором давление и температура снижаются до p0 и T0. В испарителе (процесс 4-1 в T-S диаграмме) к теплоносителю подводится теплота от источника низкого потенциала, в качестве которого используется теплота наружного воздуха. Теплоноситель испаряется при температуре TОС и цикл замыкается. Количество теплоты, подводимое в цикле к единицы массы теплоносителя в испарителе равно TОС?s. Количество теплоты, отводимое в конденсаторе от теплоносителя к воздуху в помещении, равно ТВ?s. Удельная работа теплоносителя в идеальном цикле парокомпрессионного теплового насоса равно (TВ – TОС)?s. Коэффициент трансформации определяется, как отношение полезного количества теплоты, подводимого к воздуху, к затраченной в цикле работе. Для идеального цикла коэффициент трансформации равен µТ= ТВ?s/(TВ – TОС)?s=ТВ/(TВ – TОС). Отличительными особенностями идеального цикла от реального являются: отсутствие необратимых энергетических потерь в теплообменном оборудовании (бесконечно малая разность температур между охлаждаемой и нагреваемой средой) и потерь, связанных с трением; равенство подводимой работы в компрессоре и отводимой в расширительном устройстве или детандаре (AК=AТ), при этом для процессов сжатия и расширения ds=0. Идеальный цикл осуществляется в области влажного пара.

Коэффициент трансформации теплоты для реального цикла теплового насоса будет меньше, чем µТ и рассчитывается, как µР= µТ?, где ? – коэффициент полезного действия теплового насоса. Этот коэффициент учитывает необратимость процессов в нагнетательном и расширительном устройстве, а также в теплообменниках. В отличие от идеального в цикле реального теплового насоса применяется сжатие насыщенного пара теплоносителя (линия а-б), а детандер заменяется дроссельным вентилем. Процессы политропного сжатия в компрессоре и изоэнтальпийного расширения в дроссельном вентиле происходят с ростом энтропии, а теплообмен в испарителе и конденсаторе при конечных разностях температур между теплоносителем и воздухом внутри помещения и снаружи. Как видно из рассмотрения принципиальных схем холодильного цикла и цикла теплового насоса, они отличаются только тем, что в холодильном цикле источник теплоты низкого потенциала (окружающая среда) используется для отвода теплоты хладагента из конденсатора, а в тепловом насосе служит в качестве среды, от которой отбирается теплота в испарителе. В холодильле, который расположен в кондиционируемом помещении. В результате воздух охлаждается. Пары хладагента конденсируются в теплообменнике, который расположен снаружи при температуре наружного воздуха (TОС).

Если кондиционер работает в режиме теплового насоса, то теплота отбирается от окружающей среды (наружного воздуха) и подводится к жидкому теплоносителю в испарителе, расположенном снаружи кондиционируемого помещения, а передаётся к воздуху внутри помещения от конденсирующихся паров теплоносителя. В холодильном цикле наоборот: охлаждается воздух внутри помещения и нагревается наружный воздух, охлаждающий конденсатор.

Функция холодильной машины и теплового насоса могут обеспечиваться одним устройством, если предусмотреть два раздельных теплообменника, расположенных внутри и снаружи, и дополнительный элемент, который позволит при изменении режима работы кондиционера (нагрев или охлаждения) менять направление потоков газообразного хладагента, направляя в одном случае поток хладагента к внутреннему теплообменнику (процесс охлаждения), в другом – к наружному (процесс нагрева).

Применение четырёхходового клапана позволяет осуществить реверс потока хладагента и тем самым изменять режим работы кондиционера с охлаждения на нагрев, и наоборот. Это наглядно иллюстрируется на рисунке:

Схематично представлена работа сплит-системы кондиционирования воздуха, включающая в себя два отдельных блока, один из которых расположен снаружи (внешний блок 2), а другой внутри (внутренний блок 1) кондиционируемого помещения. Каждый из блоков состоит из теплообменника, вентилятора и регулирующих устройств. Вентилятор внутреннего блока осуществляет обдув теплообменника и рециркуляцию воздуха в кондиционируемом помещении, вентилятор внешнего блока – обдув теплообменника наружным воздухом. Компрессор 3 и четрёхходовой клапан 4 конструктивно расположены внутри внешнего блока, на рисунке эти элементы вынесены за пределы блока с целью иллюстрации потоков хладагента. В зависимости от режима работы теплообменник внутреннего блока может работать и как конденсатор, и как испаритель. Кроме четырёхходового клапана необходимо предусмотреть и два расширительных устройства – дроссельных вентиля (или клапана) 5 с обводными линиями, включающими обратные клапаны 6. Дросселирование жидкости осуществляется в первом по потоку дроссельном вентиле. В это время обратный клапан, установленный в обводной линии против хода потока, закрыт а обратный клапан в обводной линии второго дроссельного вентиля – открыт. Таким образом, исключается дросселирование газообразного хладагента. При смене режима работы с охлаждения на нагрев, или наоборот, вновь включается в работу первый по ходу жидкости дроссельный вентиль и происходит срабатыванеи обратных клапанов, но уже в обратном порядке.

20) Схемы и циклы х.у. с сжатием Газов